水—岩化学腐蚀损伤作用下红砂岩蠕变特性试验研究

孙治国 鲁海涛2

（1.甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730020；2.甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730020）

0 引 言

受赋存环境、人为因素的影响，地下水的化学介质种类、浓度、以及pH值随时空发生变化，而自然界中的许多岩体存在诸如解理、微裂隙、粒间孔隙、晶格缺陷等内部缺陷，这就容易造成岩体与周围地下水之间发生各种物理、力学和化学的水岩相互作用，从而使岩体内部微观结构发生变化，引起力学性质的逐渐劣化，对工程和建筑带来不利影响。因而，开展水—岩化学腐蚀损伤作用下岩石的力学行为研究具有十分重要的工程实际意义［1-2］。

砂岩是自然界中较为常见的岩石之一，一般情况下，砂岩的强度较高，但其多孔结构极易让水渗入从而发生水岩化学损伤，使其力学性质劣化。因此，对砂岩开展水—岩化学损伤力学行为的研究意义重大。韩铁林等［3-6］对砂岩开展了不同化学溶液下的断裂韧度试验、三轴压缩试验以及冻融损伤试验，对比分析了砂岩在Na2SO4、NaHCO3、NaOH以及蒸馏水中浸泡不同时间后的力学行为，发现在酸性溶液中，砂岩的水—岩化学作用最明显；冯晓伟等［7］基于广义开尔文模型，构建了考虑水化学损伤的砂岩流变损伤本构模型，但是该模型没有考虑砂岩在长时间水—岩化学作用后的加速蠕变变形特性。红砂岩作为砂岩中的一种，是当前最常用的建筑和装饰材料之一，其力学性能也一直受到专家学者的关注。张培森［8］，宋勇军［9］，杜彬［10］，龚囱［11］，於鑫佳［12］等分别对红砂岩的渗流特性、低温流变特性、动态力学特性、蠕变声发射特性等进行了研究，促进了对红砂岩力学性质的了解。

岩体的流变性质关系着岩体工程的长期安全与稳定，是岩石的重要力学特性之一，虽然关于红砂岩流变性质已有一些研究，但关于红砂岩在水—岩化学损伤作用下的流变试验，特别是针对不同浓度和pH值溶液腐蚀作用下的流变特性还比较鲜见。因此，本研究设计了不同浓度和pH值Na2SO4溶液化学腐蚀作用下的单轴压缩和分级加载蠕变试验。

1 试验概况

1.1 试验试件

试验试件取自甘肃，平均密度为2.25 g/cm3。将取回的大块红砂岩采取钻孔取芯、打磨的方式，加工制成直径为50 mm、高度为100 mm的标准圆柱形试件，见图1。试验前，先通过外观判定，将视觉差异较大的试件剔除，然后对红砂岩试件进行孔隙率测试和纵波波速测试，取其中孔隙率和纵波波速较为接近的试件进行试验研究，对选好的试件进行XRD图谱分析，得到本次试验的红砂岩主要矿物成分包括石英（75%～80%）、长石（8%～12%）、方解石（5%～8%）、菱铁矿（1%～3%）以及少量的黏土矿物。

1.2 试验设备

本次试验所使用的主要试验仪器和设备包括：RS-ST01C超声波检测仪、X射线衍射仪、干燥箱、TFD-2000型岩石力学伺服控制流变试验系统（最大轴向加载应力为2 000 kN、最大围压为100 MPa、压力室温度控制误差为±0.5℃）。

1.3 化学溶液配制

地下水是一种复杂的化学溶液，其成分是随时空变化而变化的，主要含有钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、硫酸根离子、氯离子、碳酸氢根离子等，同时受赋存环境的影响，地下水pH值变化幅度也较广，一般而言，地下水pH值介于5～8，但在某些极端情况下，地下水会处于强酸或者强碱状态，从而对岩体和建筑产生腐蚀作用。试验过程中，不可能对这些影响因素做到一一研究，故本研究选用最常见的Na2SO4作为地下水的化学腐蚀介质，并通过改变溶液离子浓度和溶液pH值的方式进行对比研究，具体情况为：配制0.01 mol/L和0.1 mol/L两种浓度的Na2SO4溶液，pH值为3、5、7、9、11。

1.4 试验方法

主要的试验过程简述如下：①将选好的试件放到烘干箱中进行烘干处理（温度50℃，时间48 h）；②将烘干处理过后的岩样浸泡在不同浓度和pH值的Na2SO4溶液中，每一种溶液中浸泡试件6个，浸泡时间60 d，浸泡过程为半开放式，并定期对溶液进行搅动；③将浸泡过后的试件取出，再进行烘干处理，测定其孔隙率和纵波波速；④进行单轴压缩试验，得到短期力学强度；⑤进行单轴分级加载蠕变试验，加载应力依次为30 MPa→40 MPa→50 MPa→60 MPa→65 MPa→70 MPa→75 MPa，每一级加载时间为7 d，直至岩样发生失稳破坏，蠕变试验过程中保持压力室温度为22±0.5℃。

2 水—岩化学腐蚀损伤分析

2.1 孔隙率

试验得到的浸泡前后红砂岩试件的孔隙率情况见表1。从表中可以看到：在经过60 d的Na2SO4溶液浸泡后，红砂岩试件的孔隙率均有不同程度的增加，表明水化学溶液对红砂岩产生了较为明显的腐蚀作用；在0.01 mol/L溶液下，pH值在3、5、7、9、11下的孔隙变化率分别为6.99%、3.98%、2.45%、3.63%和5.39%，在0.1 mol/L溶液下，pH值在3、5、7、9、11下的孔隙变化率分别为8.82%、5.03%、3.62%、4.71%和6.92%，相同pH值下，溶液浓度越高，孔隙变化率越大，表明水化学腐蚀性越强，相同浓度下，孔隙变化率由大到小依次为pH3>pH11>pH5>pH9>pH7（酸性溶液＞碱性溶液＞弱酸性溶液＞弱碱性溶液＞中性溶液），表明红砂岩对酸性溶液更加敏感，对碱性溶液次之，对中性溶液的敏感性最小。红砂岩在酸性Na2SO4溶液浸泡过程中，方解石、长石等容易与氢离子发生化学反应，生成易溶于水的物质，而在碱性环境下，方解石等成分不易溶解，仅石英与水发生少量的水解反应，在中性条件下时，主要以石英和长石等成分的溶解作用为主，硫酸根离子对试件内部的侵蚀作用较弱，因而其孔隙变化率最低。

2.2 声波速率

试验得到的浸泡前后红砂岩试件的纵波波速情况见表2。从表中可以看到：在经过60 d的Na2SO4溶液浸泡后，红砂岩试件的声波速度均有不同程度的降低，当红砂岩处于不同水—岩化学腐蚀作用下时，Na2SO4溶液作为一种强电解质，由于盐效应，其含有的硫酸根离子会使试件内部的孔隙水压力增大，从而导致试件内部结构的破坏，使得侵蚀作用向试件内部扩展，这种侵蚀作用会随着硫酸根离子浓度的增大而逐渐增强，直至试件内部结构被完全破坏。由于声波速度与试件的密度和结构完整性有关，因此，声波速度的降幅变化情况从大到小也为：pH3>pH11>pH5>pH9>pH7。

2.3 水—岩化学损伤

表征岩体损伤变量的方法有很多，如密度、孔隙率、超声波波速等，本研究利用超声波波速对水化学腐蚀前后的红砂岩损伤进行定量表达：

式中，D0为水—岩化学损伤值；V0为初始纵波波速，m/s；Vw为水—岩化学腐蚀后纵波波速，m/s。

计算得到的不同水—岩化学腐蚀作用下的红砂岩损伤情况见图2。从图中可以看到：随着pH值的增加，水—岩化学损伤值呈先减小后增大的变化特征，即随着酸碱性的弱化，化学损伤量逐渐减小；相同pH值时，化学溶液的浓度越高，红砂岩的水—岩化学腐蚀损伤量越大；在水—岩化学作用下，红砂岩内部的矿物成分、颗粒大小及胶结情况、内部孔隙、裂隙形态等均发生明显变化，特别是CaCO3（方解石）、KAlSiO8（长石）等矿物成分通过化学反应和水解作用溶解于水后，在试件内部形成较多的孔隙和裂隙，导致红砂岩的密度减小、孔隙率增大，完整性降低，从而影响声波在试件中的传导性，因而浸泡后的声波速度显著降低，进而表现为化学损伤量的增加。

3 单轴压缩试验

试验得到不同水—岩化学腐蚀作用后红砂岩的单轴压缩应力—应变曲线特征见图3。从图中可以看到：红砂岩的应力—应变曲线可分为4个阶段：压密阶段、弹性变形阶段、屈服塑性变形阶段和破坏及残余变形阶段。自然状态下，红砂岩的压密阶段并不明显，而经过水—岩化学腐蚀作用后，红砂岩的压密阶段比较明显，这主要是因为水—岩化学腐蚀作用后，红砂岩试件内部产生了大量新的微孔隙和微裂隙，导致试件孔隙率增大，因此在初始应力作用下，原始微孔隙、微裂隙以及化学作用产生的微孔隙和微裂隙首先闭合，当这些孔隙、裂隙闭合完成后，试件内部结构和应力逐渐趋于一个平衡状态，试件进入弹性应变阶段，应力随应变的增加基本呈线性增长，这一阶段直线斜率为试件的平均弹性模量。从图中可知，弹性模量大小排序为：自然状态>pH3>pH11>pH5>pH9>pH7；当试件内部结构不能维持应力平衡时，试件逐渐进入屈服变形阶段（剪胀损伤），且酸碱性越强，试件越早进入屈服变形，塑性变形特征也越明显；当试件内部因应力损伤达到一定量（损伤阈值）后，试件发生失稳破坏，但失稳破坏方式不尽相同。在自然状态下，试件表现为脆性破坏特征，在中性和弱酸碱性腐蚀作用后，试件表现为脆—延性特征，在强酸和强碱性腐蚀作用后，试件的延性破坏特征十分明显，这主要是因为在浸泡过程中，砂岩原有颗粒之间的胶结联结力和分子化学键被破坏，使得在应力加载过程中能够积聚的能量较小，因而在断裂瞬间释放的能量较小，故而表现为脆性向延性转化的破坏特征。

不同水—岩腐蚀作用后的红砂岩峰值应力情况见图4。在自然状态下，红砂岩的峰值应力为95 MPa，但经过60 d的水—岩化学腐蚀作用过后，红砂岩的力学性质遭到不同程度的损伤劣化，在0.01 mol/L溶液中，pH值在3、5、7、9、11下的峰值应力分别为70.5 MPa、76.4 MPa、85 MPa、78.7 MPa以及72.3 MPa，分别较自然状态红砂岩降低25.8%、19.6%、10.5%、17.2%和23.9%，在0.1 mol/L溶液中，pH值在3、5、7、9、11下的峰值应力分别为63 MPa、72 MPa、81.1 MPa、75 MPa以及68 MPa，分别较自然状态红砂岩降低33.7%、24.2%、14.7%、21.1%和28.4%。

4 蠕变试验结果

4.1 蠕变时间—应变曲线

分级加载下不同水—岩化学腐蚀作用后的红砂岩蠕变时间—应变曲线特征见图5。从图中可以看到：不同岩样在蠕变失稳破坏之前均表现出衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段，而在破坏应力水平下，除了上述两个阶段，还表现出较为明显的加速蠕变特征，且酸碱性越强，加速蠕变特征越明显。在自然状态下，红砂岩历经7次应力加载才发生蠕变失稳破坏，对应的蠕变破坏应力为75 MPa；而在0.01 mol/L溶液浸泡下，pH值在3、5、7、9、11下的蠕变破坏应变分别为65 MPa、65 MPa、70 MPa、65 MPa和65 MPa，除了中性溶液是在第六级发生蠕变失稳破坏外，其余均在第五级应力发生失稳破坏；在0.1 mol/L溶液浸泡下，pH值在 3、5、7、9、11下的蠕变破坏应变分别为 60 MPa、60 MPa、65 MPa、65 MPa和60 MPa，除了中性溶液和弱碱性溶液（pH=9）是在第五级发生蠕变失稳破坏外，其余均在第四级应力发生失稳破坏；可见，化学溶液浓度越高、酸碱性越强，对红砂岩的腐蚀损伤作用越明显，试件蠕变变形特征越明显，加速了试件进入失稳破坏阶段。

4.2 稳态蠕变率

试验得到的不同应力水平下稳态蠕变率变化特征见图6。从图中可以看到：在低应力水平下，红砂岩的稳态蠕变率较低，随着应力水平的提高，红砂岩逐渐由硬化作用向损伤作用发展，稳态蠕变速率逐渐增大，当蠕变损伤量达到一定大小后，稳态蠕变率迅速增加，试件很快便发生失稳破坏；随着应力水平的提高，稳态蠕变率呈幂函数型增长，相同应力水平下，酸碱性越强，试件的水—岩化学腐蚀损伤越大，颗粒之间的胶结联结力越弱，蠕变变形越明显，因而稳态蠕变速率也越高。

4.3 长期强度

关于长期强度的求取方法有很多，如等时应力—应变曲线法、稳态蠕变率法、体积膨胀率法等，但最常用的是等时应力—应变曲线法。等时应力—应变曲线法是利用不同应力水平下相同时间点对应的应变—应力关系曲线簇的拐点来预测岩石的长期强度，从而可以获得不同水—岩化学腐蚀作用下红砂岩的长期强度，见图7。从图中可以看到：在0.01 mol/L浓度下，pH 值在 3、5、7、9、11下的长期强度分别为 47 MPa、50 MPa、55 MPa、52 MPa和49 MPa，分别为短期强度的66.7%、65.4%、64.7%、66% 和 67.8%；在0.1 mol/L浓度下，pH值在3、5、7、9、11下的长期强度分别为44 MPa、48 MPa、51 MPa、50 MPa和46 MPa，分别为短期强度的 69.8%、66.7%、63%、66.7%和67.6%，红砂岩在化学腐蚀作用下的长期强度仅为短期强度的60%～70%。

4.4 考虑水—岩化学损伤的蠕变本构模型

由于水—岩化学腐蚀作用对红砂岩内部微观结构产生较为明显的劣化损伤，使得红砂岩具有黏弹塑性特征，为了更好地反映红砂岩的加速蠕变变化特征，采用文献［14］提出的分数阶蠕变模型来描述红砂岩在水—岩化学腐蚀作用后的流变特征。该模型建立的分数阶蠕变模型包括胡克体εe、黏弹性体εve和黏塑性体εvp，并认为总应变ε=εe+εve+εvp，那么红砂岩的蠕变模型可表示为

式中，σ为应力水平，MPa；σs为长期强度，MPa；E0为弹性模量，GPa；η0、η1为粘滞性系数；ta为蠕变加速时间点；t为蠕变时间，d；Γ(β+1)、Γ(γ+1)为Gamma函数；β、γ为求导阶数；εa为蠕变加速时间点对应的蠕变应变量。

大量的研究表明，当加载应力小于长期强度时，岩石只会发生硬化作用，粘滞性系数是随蠕变时间的增加而增大的，而当加载应力超过长期强度后，就会发生硬化与损伤双重作用。随着蠕变试验的进行，损伤作用会逐渐超过硬化作用，从而导致试件内部的损伤累积，当这一损伤累积量达到蠕变损伤阈值后，试件就会发生失稳破坏。因此，粘滞性系数应该是随蠕变试验进行而逐渐变化的，根据前人研究成果，在加速蠕变前后的粘滞性系数满足如下关系：

根据上文分析：稳态蠕变率与应力水平呈幂函数关系，即有：

通过式（4）可以计算得到每一个pH值对应的应力敏感性常数n，然后可以绘制得到应力敏感性常数n与pH的关系，见图8。从图8中可以看到：应力敏感性常数n与pH之间呈良好的线性关系，即有：

式中，a，b为计算常数；λ为pH值。

将式（5）代入式（3），可得：

再将式（6）代入式（2），即可得到水—岩化学腐蚀作用下红砂岩分数阶蠕变本构模型，该模型可对不同pH值Na2SO4溶液化学腐蚀作用下红砂岩的蠕变变形进行预测，即：

针对本项目提出的考虑化学损伤的分数阶本构模型，随机选取0.01 mol/L、pH=3以及0.1 mol/L、pH=11两组试验的最后一级数据，采用最小二乘法对其进行拟合分析并与试验数据对比，结果见图9。从图中可以看到：蠕变试验数据与理论模型的拟合数据吻合度较高，其相关系数R2均大于0.90，能够较好地模拟不同水—岩腐蚀损伤作用下红砂岩的非线性蠕变力学特征，表明本研究所建立的考虑水—岩化学损伤的蠕变本构模型合理，可用于不同浓度和pH值化学腐蚀作用下岩石的蠕变变形预测。

5 结 论

岩体处于复杂的地下水环境中时，其力学性能受到水—岩化学腐蚀作用会逐渐减弱，对于工程和建筑安全带来不利影响，由于试验条件有限，本项目仅对不同浓度和pH值Na2SO4溶液化学腐蚀作用下红砂岩蠕变力学损伤行为进行了试验研究，以此为例来对比分析了化学介质浓度和酸碱度对红砂岩力学行为的影响，得出如下结论：

（1）红砂岩中方解石、长石等物质在酸碱性溶液中易发生化学反应，生成溶于水的物质，从而造成试件内部孔隙率增大、完整性降低、声波速率减小；酸碱性越强、浓度越高，红砂岩的水—岩化学腐蚀损伤量越大，具体表现为：酸性溶液＞碱性溶液＞弱酸性溶液＞弱碱性溶液＞中性溶液。

（2）经水—岩化学腐蚀作用后，单轴峰值应力较自然状态下的红砂岩最大可降低30%以上，红砂岩的变形破坏特征也逐渐从脆性向延性转变，酸碱性越强，浓度越高，试件的塑性变形破坏和加速蠕变变形特性越明显。

（3）稳态蠕变率与加载应力呈幂函数型变化特征，红砂岩在化学腐蚀作用下的长期强度仅为短期强度的60%～70%。

（4）根据试验结果，在分数阶蠕变本构模型基础上，建立考虑水—岩化学损伤的蠕变本构模型，通过模拟分析，验证了该模型的合理性和可行性，可用于不同浓度和pH值化学腐蚀作用下岩石的蠕变变形预测。

（5）为更贴近地下水赋存的真实状态，对于复杂混合溶液环境下水—岩化学腐蚀损伤力学行为研究将在今后逐步开展。